DN1000上盖式半球阀流场的数值仿真

廖志芳，王荣辉，谭会攀，唐泽润，应 锐，罗 爽，蒋 劲

(1.天津市输水系统水锤阀门控制技术企业重点实验室，天津 300051；2. 博纳斯威阀门股份有限公司，天津 300051；3. 武汉大学动力与机械学院水力机械过渡过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430072)

上盖式半球阀是一种新型阀门，在流体机械行业尚未得到广泛应用。但是它具有启闭力小，流体阻力小，维修方便等优点，所以其具有很大的发展前景。阀门结构复杂，阀门内流体的流动特性在一定程度上反应了阀门性能的好坏[1]。因此对上盖式半球阀内部流场进行数值模拟，分析阀内流体的流动状态，对阀门的设计和结构优化提供一定的参考。

1 网格模型

采用pumplinx软件划分网格并进行求解计算。已知DN1000上盖式半球阀不同开度的流场三维模型，采用自适应网格技术划分网格，网格自动加密，上盖式半球阀网格总输出为120万，网格质量符合工程仿真要求。图1为50%开度的球阀网格模型。

图1 DN1000上盖式半球阀全局网格

2 计算模型

2.1 控制方程

1)质量守恒方程。不管流体是否是恒定流还是非恒定流，亦或密度不变还是密度因为压力的变化可以变化的情况下，流体的流动过程都在质量守恒定律的管辖范围之中。

式中：ρ为流体的密度；t为时间；u、v、w为在直角坐标系下的流体的速度分量。

2)动量守恒方程。流体在流动过程中，因为外力对其的作用而速度会发生变化，所以流体的运动同样受到动量守恒定律的支配。

式中：p是流场控制体上的静压强；fx、fy和fz是控制体的质量力的分量，若果质量力只包含重力，z轴方向垂直向上，那么fx=0，fy=0，fz=-g；∂τxx、∂τxy和∂τxz等是由于流体是粘性流体，所以又粘性力的作用，在控制体表面上产生的粘性应力τ的分量。

3)能量守恒方程。流体运动的能量方程可表述为：流场中任意一个小的控制体的能量在单位时间的变化量，就是单位时间内控制体受到外力所做的功和单位时间内控制体与外界换热量的总和。其数学表述为

式中：E为控制体的能量；Q为外界传入控制体的热能；W为外力对控制体做的功；V为控制体体积；e为单位质量流体所具有的热能；u为流体流动的速度。

2.2 数学模型

本次数值仿真中都采用RNGk-ε湍流模型，RNGk-ε湍流模型是基于标准k-ε湍流模型，在方程中增加一附加项而生成的。与标准k-ε模型相比，RNGk-ε模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动[2]。其方程表达式如下：

式中，μeff为有效湍流粘度，是μ与μt之和。

3 数值仿真模拟及结果分析

为了研究该阀门的流场特性，给定阀前压力为0.6 MPa，阀后压力为0.5 MPa，模拟阀门在8个不同开度下的流场工况。

3.1 流场速度分布

DN1000上盖式半球阀在不同开度下的速度分布情况如图2所示。半球阀开度为5%时，阀内流体速度很小，水流几乎被堵住。开度为10%～50%时，随着开度的增大，阀芯处流速发生剧烈变化；阀内流体流速增加。在阀芯背面出现漩涡，且随着开度的增大，漩涡所影响的区域也在变大。上下两处阀瓣狭窄过流区域流速很大，对阀座产生一定的冲击力。阀门开度大于50%时，由于阀芯的阻碍作用变小，阀内流体流速变化越来越均匀，流态越来越平稳，阀内出现的涡流区域也在变小。

3.2 流场压力分布

DN1000上盖式半球阀在不同开度下的压力分布情况如图3所示。由于阀芯上下区域过流面积忽然变小，导致流体流动状态发生突变，流速变大，压力变小。阀门开度为5%时，阀前和阀后的压力差很大。随着阀门开度的增大，阀前阀后的压力差逐渐减小。阀门全开时，阀门压力分布均匀。

3.3 流场湍动能分布

DN1000上盖式半球阀在不同开度下的湍动能分布情况如图4所示。阀门开度为5%时，阀门过流能力很低，流体的湍动不明显。开度为10%～50%时，随着开度增大，阀门内流体的湍动越为剧烈。阀门全开时，阀内流体的湍动能变化均匀。

4 计算流阻系数和流量系数

流体通过阀门时,会存在一定的阻力损失[3],以阀门的流阻系数ζ表示。

式中：ΔPv为被试验阀门的净压差，kPa；V为试验管道的平均流速，m/s；ρ为水的密度，m3/s。

流量系数是指单位时间内，在测试条件中管道保持恒定的压力，管道介质流经阀门的体积流量，或是质量流量，即阀门的最大流通能力。流量系数值越大说明流体流经阀门的压力损失越小。本文以流体流经阀门，两端压差为100 kPa时，以m3/s计的流量数值，即流量系数表示。

图2 DN1000上盖式半球阀速度分布

图3 DN1000上盖式半球阀压力分布

图4 DN1000上盖式半球阀湍动能分布

式中：Q为测得的水流量，m3/h；ΔPv为测得的净压差，kPa；ρ为水的密度，kg/m3；ρ0为15℃时水的密度，kg/m3。

通过数值计算得出不同开度条件的DN1000上盖式半球阀的流量参数，并分别绘制开度流量系数曲线和开度流阻系数曲线，如图5。

图5 DN1000上盖式半球阀曲线图

分析图5的曲线可知，阀门开度为5%时，只有少部分流体通过，流量系数很小，流阻系数很大。随着开度越来越大，DN1000上盖式半球阀的流量系数越来越大，流阻系数越来越小。且开度大于70%时，流量系数突然增大，流阻系数变化平缓。当阀门全开时，流阻系数最小，值为0.217。这表明该球阀的流通能力较强，流体能量损失小。

5 结 论

本研究对上盖式偏心半球阀在不同开度下的流场进行了数值模拟，分析了不同开度下阀内流体的流动特性，并通过求解流量系数曲线和流阻系数曲线得到了不同开度下阀内流场的静态特性，为阀门的结构优化设计提供参考。数值仿真结果表明：

1)随着开度的增大，阀内流体流速在增大；阀前阀后的压力差在减小；流量系数在变大，流阻系数在变小；阀门开度大于70%时，流阻系数几乎不变。

2)开度为5%时，水流几乎被堵住。开度为10%～50%时，阀瓣背后产生漩涡，且随着开度的增大，涡流所影响的区域也在变大；开度大于50%时，阀门过流能力变大，阀内所出现的涡流区域变小。

3)阀芯上下两侧的过流面积突然变小，导致流体的流速变大，压力变小，流体在此处容易发生汽化。